단조기술/ 고인성 가소성가공용 고속도강[YXR Series]
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고인성 가소성가공용 고속도강[YXR Series]의 특징과 실용성능 다츠히코 아미자와
가소성 가공에 의한 부품성형은, 공정을 간략하게 할 수 있고 성자원 성에너지 효과도 크기 때문에, 순차 절삭가공에서 교환이 시행되고 있다.
최근에는 복잡형상품의 일체성형이나 고정밀도 성형이 진행되고 있어, 온간단조나 냉간단조의 비율이 증가하고 있다.
이들 가공법은 금형에 대한 부하가 가혹해져, 보다 높은 면압과 마찰작용에 견딜 수 있는 형재가 필요해져 왔었다.
YXR Series 강은 공구종별 손모현상 해석에서 구한 요구특성을 품질석계에서 발생한 가소성 가공용 고속도강으로, 냉간에서부터 온간성형(일부열간도 포함)이 넓은 범위에 있어서 가혹한 요구에 응할 수 있도록 series화한 것이다.
여기서는 이 XYR Series강의 특징과 적절한 사용, 그리고 실용형에서의 사용예에 대해 논하겠다.

1. YXR Series강의 특징

YXR Series강은 YXR7, YXR3, YXR33 등으로 구성되는 일련의 매트릭스하이스로, 각각의 특징이 최고로 발휘될 수 있는 최적 사용경도 범위가 중복되지 않는 연구가 되고 있다.
고속도 공구강은 Cr, Mo, W, V 등의 탄화물 원소를 기지 속에서 가능한 한 고용시키고, 이들 원소의 탄화물로서의 석출경화와 margensite 경화를 조합시켜, 높은 경도를 얻는 것과, 기지 속에서 고용할 수 없는 탄화물 형성원소를 일차 탄화물로서 생성시켜, 내마모성을 부여시키는 것이 원리원칙의 재료이다.
이 때, 재료에 응력이 부과된 경우, 일차 탄화물과 기지의 계면에 응력이 집중하여, 균열이 발생하고, 진전하면 파멸적인 손상에 이른다는 것이 알려져 있다.
따라서, 파괴기점이 되는 일차탄화물의 양, 크기, 분포, 종류 등이 기계적 성질의 절대치에 더욱 크게 영향을 준다.
이 영향도는 기지 경도와의 조합에서 여러 가지로 변화하지만, 적절한 재료 선정을 시행하면 54~65HRC의 넓은 범위에서 종래철강에서는 얻을 수 없는 뛰어난 특성을 이끌어낼 수 있다.
표 1에서 표준적인 사용경도의 범위와, 그 경도에 있어서 각종재료의 특성을 종래의 강철과 비교하여 나타냈다.
또, YXR series강 및 종래의 철강인 Charpy impact valve를 경도와의 관계로 정리하여 그림 1에서 나타냈다.
YXR7은 62~65HRC의 범위에서 고유의 특징이 최고로 발휘될 수 있고, 종래의 강철인 SKH51이나 SKD11과 비교하여 인성, 인장강도, 피로강도에서 뛰어나다.
또, 담금질성도 좋기 때문에 태경공구라도 진공담금질이 가능하다.
YXR3은, 58~61HRC가 적정사용경도 범위로, SKH51이나 SKD11에 비해 3~4배의 고인성을 갖고 있어, YXR7과 비교해도 뛰어나다.
따라서, 금형의 사용상황(마모 등)으로부터 경도가 58~61HRC에서 좋다고 판단할 수 있는 경우에는, YXR3이 더욱 적합한 재료이다.
YXR33은 54~58HRC가 표준적인 사용경도 범위로, 더욱 인성이 높은 매트릭스 하이스이다.
그림 2는 온열간 단조형의 지침이 되는 700oC의 온도영역에서 인장세기와 Charpy impact valve에 대해, YXR33과 다른 철강종류를 비교한 결과이다.
54~58HRC에서 YXR33이 최상의 인장세기와 충격치를 갖고 있어, 온열간 가공용 금형의 고수명화에도 유효한 재료이다.
다음으로, Charpy impact valve와 함께 금형의 내결 손성에 영향을 주는 인장세기를 각종금형재료에서 비교하여 그림 3에서 나타냈다.
인장세기는 재료의 경도와 비례하여 약 62HRC까지는 경도가 높을수록 세기도 높아지지만, 이 이상 단단해지면 degradation에 의해 인장세기는 급격히 저하한다.
한편 연성(늘어남, 조임)은 경도에 반비례하여, 특히 YXR33은 4%이상이 길이를 나타내 연성이 큼을 알 수 있다.
종래의 철강인 SKH51은 YXR7과 비슷한 거동을 나타내지만, 조대탄화물이나 탄화물의 고상편석이라는 금속조직적 요인에 의해, 인장세기나 길이가 전반적으로 낮아지고 있다.
SKD11은 더욱 극단적으로, 약 57HRC가 인장세기의 극대치로, 그 이상의 경도에서는 degradation이 시작되어, 길이도 경도의 비율에서는 낮아지고 있다.
금형의 수명을 지배하고 있는 다른 재료특성도 표 1에서 정리한다. 압축세기는 재료종류에 의하지 않고 경도에 비례하기 때문에, 경도가 높은 재료의 종류일수록 압축세기도 높아진다.
피로강도는 일반적으로 인장세기가 높은 재료일수록 큰 경향에 있지만, 그 이상으로 탄화물이나 비금속개재물 등의 금속조직적 요인, 게다가 거친 표면이나 표면잔류 응력 등의 표면성상에도 강하게 영향받고 있다.
내마모성의 정의는 애매하고, 금형의 손상이 abrasive 마모인지 의착마모인지, 혹은 열적가소성 유동마모인지로 적재선정의 기준이 다소 달라진다.
일반적인 탄화물의 양과 종류 및 기지의 경도라는 기준으로 평가하면 표 1같은 순서가 된다.



2. YXR series강의 실용예

YXR series강의 실용 실적예를 표 2에서 나타냈다. YXR7은 전조 dies나 절단칼, 구멍 뚫는 형, 그 밖에 fine blacking die나 냉간단조 die 등 SKH51이나 SKD11보다 고강도, 고인성을 필요로 하는 용도에서 좋은 결과가 얻어지고 있다.
YXR3는 더욱 범용적인 재료로, 냉간단조형이나 nut homer punch, trimming dies 등 폭 넓은 용도로 사용되고 있다.
특히 이제까지 SKH51이나 SKD11에서는 인성 부족에 의한 균열이나 절손으로 조기수명이 되고 있던 용도에 적용하고 있다.
YXR33은 전륜구동용의 등속 joint, bearingless나 mission gear를 온간 단조, 게다가 gear나 bearing류를 열간단조하는 punch, die의 사용수명을 대폭으로 향상시켰다.
그 밖에, 열간 dies강에 가까운 고인성의 특징을 살려 냉간 press형의 일부에도 사용되어, 좋은 결과를 얻고 있다.

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